Возможности приемников излучения по регистрации световых потоков

Возможности приемников излучения по регистрации световых потоков

Применение фотодиодов в схеме преобразование ток напряжение. Электронная цепь фотодетектора реализуется на операционном усилителе.

 

Уравнения описывающие работу фотодетектора на базе фотодиода и операционного усилителя основаны на уравнениях Кирхгофа:

 

Поскольку фотодиод является источником тока, то его сойства можно описать эквиватентным внутренним оммическим сопротивлением R_fd и конструкционной емкостью C_fd, включенных параллельно фотодиоду. Оба эти параметра портят свойства фотодиода. Величина K_oa  – описывает усилительные свойства операционного усилителя, Z_bf – комплексное сопротивление обратной связи, которое как будет дальше показано – это параллельно соединенные резистор и емкость. Современные операционные усилители проектируются таким образом, чтобы их амплитудно-частотные характеристики описывались апериодическим звеном первого порядка эквивалентным интегрирующей RC цепочке. В этом случае амплитудно-частотная характеристика фотодетектора будет описываться выражением:

Структура выражения для выходного напряжения фотодетектора (пока считаем, что Zbf чисто активная величина) эквисалентна аплитудно-частотной характеритстике осциллятора, например колебательного LC контура с затуханием.  Для тока в цепи LCR выражение таково:

Амплитудно-частоная зависимость  напряжения на конденсаторе выражение полностью эквивалентно амплитудно-частотной  характеристики U_out:

Условие для возникновения резонансного пика – наличие минимума знаменателя

Для фотодетектора это условие принимает вид

Для современных операционных усилителей величина K₀ – усиление на постоянном токе величина достаточно большая и как правило превышает 10⁵. Величина τ_oa – постоянная времени операционного усилителя, характеризующая частоту среза имеет порядок величины 10^-2 – 10^-1 сек.  Емкость фотодиода  даже с очень маленькой фоточувствительной площадью составляетя несколько десятков пф.  При Z_bf=10⁹ ом и С_fd=100 пф Z_bf С_fd= 10⁹*10^-10= 10^-1 сек.  Постоянная времени Z_bf С_fd как правило порядка или меньше τ_oa. При больших значениях K₀ неравенство удовлетворить нельзя. Более того, чем лучше операционный усилитель, тем сильнее резонансные свойства фотдетектора (выше добротность). В итоге такой фотодетектор при приеме импульсного сигнала будет давать осцилляции на резонансной частоте на фронтах. Для устранения этого нежелательного явления применяется коррекция амплитудно-частотной характеристики с помощью емкости C_bf. 

С учетом C_bf амплитудно-частотная характеристика фотодетектора изменится стедующим образом:

  Наименьшие световые потоки, которые способны регистрировать приемники оптического излучения определяются флуктуациями различных параметров, характеризующих приемник. Для тепловых приемников главным критерием чувствительности являются флуктуации температуры ФЧЭ, поскольку принцип действия тепловых приемников заключается в измерении изменения температуры ФЧЭ под действием оптического излучения. Флуктуациям  температуры  ФЧЭ можно сопоставить соответствующие флуктуации энергии ФЧЭ в единицу времени. Эти флуктуации, очевидно, определяют пороговую мощность оптического излучения, которую способен зарегистрировать тепловой приемник.

Средне квадратичная флюктуация мощности на ФЧЭ дается выражением:

 .            (1)

h - коэффициент теплообмена между ФЧЭ и окружающей средой, Т – температура ФЧЭ. к_b – постоянная Больцмана. Df – полоса частот. Если чувствительный элемент приемника имеет площадь А, коэффициент черноты e и механизм обмена лишь радиационный, то мы приходим к формуле для теоретического предела чувствительности тепловых приемников:

                                                                                                                             (2)

Если принять e=1, А=1 мм², T=300^oK, то получим оценку теоретического предела для пороговой мощности, которую способен зарегистрировать тепловой приемник:

            

                                                                                                                                                     (3)

Оценим изменение температуры ФЧЭ при поглощении энергии, соответствующей пороговой мощности светового потока за 1 сек. Пусть толщина ФЧЭ = 1 мкм, плотность ФЧЭ соответствует плотности золота (ФЧЭ делают из золотой черни).